基于stm32的语音识别机械手智能系统设计

吴云龙,程武山

(上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海201620)

摘要:设计了一种基于S TM32F429语音识别的四自由度机械手智能控制系统,该控制系统是通过语音控制下降㊁抓取㊁上升㊁放下等功能㊂控制部分主要以S TM32F429作为核心控制单元,手持板是以S TM32F407作为核心板,两块底板根据所需功能自主研发设计并调试㊂软件部分以M D K作为开发环境,运用C语言作为编程语言,对G P I O口进行高低电平控制实现机械手的功能㊂最后通过上位机软件(奇点机器人)进行调试以及功能的实现㊂该系统操作简单㊁效率高,对于工业机器人的研发有一定的参考价值㊂

关键词:S TM32F429;四自由度机械手;语音控制;奇点机器人;智能控制

中图分类号:T P273文献标识码:A

V o i c e M a n i p u l a t o r I n t e l l i g e n t S y s t e m B a s e d o n S T M32

W u Y u n l o n g,C h e n g W u s h a n

(S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g,S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y,S h a n g h a i201620,C h i n a) A b s t r a c t:I n t h e p a p e r,a f o u r-d e g r e e-o f-f r e e d o m i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m o f t h e m a n i p u l a t o r b a s e d o n S TM32F429v o i c e r e c o g n i t i o n i s d e s i g n e d,t h e c o n t r o l s y s t e m c o n t r o l s d e s c e n t,g r a s p,r i s e,d o w n a n d o t h e r f u n c t i o n s t h r o u g h v o i c e.T h e c o n t r o l p a r t t a k e s S TM32F429a s t h e c o r e c o n t r o l u n i t,t h e h a n d h e l d b o a r d t a k e s S TM32F407a s t h e c o r e b o a r d,a n d t h e t w o b a c k b o a r d s a r e i n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e d,d e-s i g n e d a n d d e b u g g a b l e a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e d f u n c t i o n s.T h e s o f t w a r e p a r t u s e s M D K a s t h e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t a n d C l a n g u a g e a s t h e p r o g r a mm i n g l a n g u a g e t o c o n t r o l t h e h i g h a n d l o w l e v e l o f G P I O p o r t t o a c h i e v e t h e f u n c t i o n s o f t h e m a n i p u l a t o r.A t l a s t,t h e s o f t-w a r e o f h o s t c o m p u t e r(s i n g u l a r i t y r o b o t)i s u s e d f o r d e b u g g i n g a n d f u n c t i o n r e a l i z a t i o n.T h e s y s t e m h a s s i m p l e o p e r a t i o n a n d h i g h e f f i-c i e n c y,w h i c h h a s c e r t a i n r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e d e s i g n o f i n d u s t r i a l r o b o t.

K e y w o r d s:S TM32F429;f o u r-d e g r e e-o f-f r e e d o m m a n i p u l a t o r;v o i c e c o n t r o l;s i n g u l a r i t y r o b o t;i n t e l l i g e n t c o n t r o l

引言

近几年,机器人发展非常迅速,在工业自动化㊁军事方面㊁产线生产中得到广泛应用㊂随着科技日新月异,机械手能代替人们做一些事情,比如矿井的工作㊁齿轮轴承的加工㊁烟雾比较大的情况等㊂

在机器人的生产中,机械手的设计扮演者重要的角色㊂本文设计了一种基于S TM32F429语音识别的四自由度机械手控制系统,里面包含了主芯片S TM32F429㊁舵机驱动模块㊁语音识别模块㊂通过语音可以和机械手进行人机交流,该控制系统可用于机器人的模型设计和课堂教学实验㊂

1语音识别原理分析

语音识别原理图如图1所示,可以看出,主要由麦克风㊁频谱分析㊁提取特征㊁语音识别器等组成㊂L D3320语音识别的流程就是通过麦克风采集到的声音进行频谱分

析㊁提取里面的语音特征,然后进入语音识别器,与关键词语列表中的词语进行对比,找出相似度最高的词语进行输出,传给主芯片M C U

㊂

图1语音识别原理图

2硬件总体设计

系统的总体设计框图如图2所示㊂可以看出,该控制系统由6个部分组成:麦克风㊁电源模块㊁语音识别模块

图2 系统的总体设计框图

(L D 3320)㊁主芯片S TM 32F 429㊁

舵机控制模块以及机械手㊂系统的核心控制器S TM 32F 429主要处理四自由度机械手的动作,语音识别模块的功能主要是识别由麦克风采集到的声音,通过S P I 给主芯片S TM 32F 429发送指令,然后M C U 将通过W i F i 给下位机控制板发送指令,下位机由定时器3产生4路P WM 方波给舵机控制模块,从而实现对机械手的远程控制㊂系统各个功能以及人机交

互界面在上位机奇点机器人上面实现㊂

2.1 电源模块电路

本系统采用5V 电源供电,但是底板上所用的元器件

是3.3V ,因此需要AM S 11173.3芯片将5V 转换为3.

3V ,

原理图中加保险丝主要是为了保护电路防止过载,这样就实现了对底板的保护,电源电路图如图3所示

㊂

图3 电源电路图

2.2 W i F i 通信电路

W i F i 主要运用于手持板与下位机控制板进行无线通

信㊂这里选的是E S P 8266芯片,由上面可知,串口3用于无线通信,E S P 8266芯片的发送端接在串口3的接收端,

同样,E S P 8266芯片的接收端接在串口3的发送端以实现远程通信㊂W i F i 远程通信电路如图4所示㊂

2.3 语音芯片电路

本系统语音识别芯片采用的是L D 3320芯片,

该芯片主要用来识别语音信息,并且通过S P I 串口与主芯片进行通信㊂通过对寄存器进行操作来使用L D 3320㊂寄存器的操作有4种方式,这里选用的是串行软件读写方式,语音识别电路如图5所示㊂

3 软件设计

3.1 定时器3输出4路P WM 方波

S TM 32F 429有三种定时器,分别为高级定时器(T I M 1㊁T I M 3),通用定时器(T I M 2~T I M 5㊁T I M 9~

T I M 14)以及基本定时器(T I M 6㊁T I M 7)

㊂系统采用的是由舵机驱动机械手动作,舵机采用定时器3输出4路P WM 方波,

以通道1为例,步骤如下:①使能定时器时钟和通道I /O 口时钟㊂

②配置I /O 口复用映射:H A L _G P I O _I n i t (

)㊂③初始化P WM 时基函数:H A L _T I M _P WM _I n i t

()㊂④初始化P WM 通道函数:H A L _T I M _P WM _C o n -f i g

C h a n n e l ()㊂⑤使能定时器P WM :H A L _T I M _P WM _S t a r t

()㊂部分程序如下:

v o i d T I M 3_P WM 1_I n i t (u 16a r r ,u 16p s c

){ T I M 3_H a n d l e r .I n s t a n c e =T I M 3;

T I M 3_H a n d l e r .I n i t .P r e s c a l e r =p s c ; T I M 3_H a n d l e r .I n i t .C o u n t e r M o d e=T I M _C O U N T E R -MO D E _U P ;

T I M 3_H a n d l e r .I n i t .P e r i o d =a r r

; HA L _T I M _P WM _I n i t (&T I M 3_H a n d l e r

);T I M 3_C H 1H a n d l e r .O C M o d e =T I M _O C MO D E _P WM 1;

T I M 3_C H 1H a n d l e r .P u l s e =a r r /2;T I M 3_C H 1H a n d l e r .O C P o l a r i t y =T I M _O C P O L A R I T Y _L OW ;T I M 3_C H 1H a n d l e r .O C M o d e =T I M _O C MO D E _P WM 1;

H A L _T I M _P WM _C o n f i g C h a n n e l (&T I M 3_H a n d l e r ,&T I M 3_

C H 1H a n d l e r ,T I M _C H A N N E L _1

);H A L _T I M _P WM _S t a r t (&T I M 3_H a n d l e r ,T I M _C H A N N E L _1

);}

3.2 无线通信程序设计

W i F i 通信模块选用的是E S P 8266芯片,

通过串口3与下位机的主芯片相互通信,该通信模块主要由3种模式构成:A P ㊁S T A 和S T A A P ㊂下位机核心板选用了第三种模式,语音识别板(手持板)使用了第二种模式,可以与主控板进行信息交互㊂第一种模式的控制流程图如图6

所示㊂

部分代码如下:

v o i d e s p 8266_A P _I n i t (v o i d ){ u 8i ,j

; u 8r e p

e a t =3;

f o r (i =0;i <1;i ++)

{

图4 W i F i

通信电路

图5 语音芯片电路

d e l a y _m s (50); f o r (j =0;j ); A T+C WMO D E =1 b r e a k ; }

f o r (j =0;j ++){a t k _8266_s e n d _c m d ("A T+R S T

); b r e a k

; }

d e l a y

_m s (1000);}

3.3 L D 3320程序设计

语音识别的流程图如图7所示㊂

图6 A P

模式流程图

图7 语音识别流程图

主要有以下几个步骤:

①将48H 存到17寄存器中以激活D S P ,

达到初始化的目的

㊂

图8 上位机调试界面

②检测寄存器的值以判断语音识别芯片的工作状态㊂

③通过35寄存器来设置麦克风的音量㊂

部分代码如下:

v o i d L D 3320(v o i d

){ u 8n A s r R e s =0; w h i l e (1

){ s w i t c h (n A s r S t a t u s

){ c a s e L D _A S R _R U N I N G : c a s e L D _A S R _E R R O R : c a s e L D _A S R _N O N E :

n A s r S t a t u s =L D _A S R _R U N I N G ; i f (R u n A S R ()==0

){ n A s r S t a t u s =L D _A S R _E R R O R ; b r e a k ; }

c a s e L D _A S R _F O U N D O K :n A s r R e s =L D _G e t R e s u l t

(); p r i n t f ("\\r \\n 识别码:%d

4 系统调试

软硬件设计好之后,就需要对整个系统进行调试㊂整个

系统的调试主要包括:机械手的动作和语音控制的调试㊂

4.1 机械手动作联调(

上位机调试)打开上位机软件 奇点机器人,调试界面如图8所

示,连接串口,与下位机进行通信,烧录程序,界面上显示设备已连接,然后就可以进行调试了㊂

本系统使用的是4自由度机械手,所以只需要4个舵

机模块,舵机1主要控制夹齿的张与开,舵机2主要控制机械手高度,舵机3主要控制机械手的伸长与缩短,舵机

4主要控制机械手的转向㊂上位机界面如图8所示㊂分

别拉动滚动条来调试相应的动作,然后添加到列表中,如表1所列㊂然后点击下载,点击自动就会执行下面已添加到列表中的动作,主要用于工业机器人㊂

表1 舵机调试参数

序号舵机1角度/(㊂)速度/(m ㊃s -1)舵机2角度/(㊂)速度/(m ㊃s -1)舵机3角度/(㊂)速度/(m ㊃s -1)舵机4

角度/(㊂)速度/(m ㊃s -1)1-14163161-7612-41163161-7613

-41123161-7614-411231371-7615-411231571-7616

-411231661-7617

-41

1

23

1

66

1

14

1

4.2 语音控制调试(

下位机调试)语音控制调试是在串口调试助手上完成的,连接到串口:打开串口调试助手㊂下面挑选2个机械手动作进行调试,一个是机械手抓取东西,另外一个是机械手把所抓取

的东西放在某个位子㊂

机械手抓取东西:预先通过上位机软件存储好机械手抓取的动作,当手拿小板子说 抓取 时,喇叭播报 抓取 ,语音识别正确之后就会向下位机发送基础指令 J X -

S Z Q

机械手抓取,接收到指令之后就会执行上位机列表中的动作㊂

机械手放下东西:预先通过上位机软件存储好机械手放下物体的动作,当手拿小板子说 放下 时,喇叭播报 放下 ,语音识别正确之后就会向下位机发送基础指令 J X S -F X

机械手放下,接收到指令之后就会执行上位机列表中的动作㊂

结 语

本文设计了一种基于S T M 32F 429语音识别的四自由度

机械手控制系统,该控制系统是通过语音实现下降㊁抓取㊁上升㊁放下等功能,本系统操作相对来说比较简单,效率比较高,对工业机器人的设计有一定的参考价值㊂

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吴云龙(硕士研究生),主要研究方向为嵌入式系统开发㊂

(责任编辑:薛士然 收稿日期:2019-07-22

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